第5章 直流直流变流电路

I1
Io
Uo 1 E R R
Uo 1 E Io 2 E R
V导通
V关断
10
5.3 带隔离的直流直流变流电路
5.3.1 正激电路 5.3.2 反激电路 5.3.3 半桥电路 5.3.4 全桥电路 5.3.5 推挽电路 5.3.6 全波整流和全桥整流 5.3.7 开关电源
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5.3 带隔离的直流直流变流电路·引言
☞为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过 50%，还应留有裕量。
◆输出电压 ☞滤波电感电流连续时
U o N 2 2t on Ui N1 T
(5-55)
☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-55）的计算值， 并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下
Uo N2 Ui N1
电流连续
6
5.1.1 降压斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。
☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
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5.1.2 升压斩波电路
■升压斩波电路
◆工作原理 ☞假设L和C值很大。 ☞ V处于通态时，电源E向电感L 充电，电流恒定I1，电容C向负载R供 电，输出电压Uo恒定。 ☞ V处于断态时，电源E和电感L 同时向电容C充电，并向负载提供能 量。
io
I1
0
b)
1 上式中的 T / toff = 1 1
输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使
电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。
9
5.1.2 升压斩波电路
☞如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即
EI1 U o I o
☞输出电流的平均值Io为 ☞电源电流I1为
4电流连续ຫໍສະໝຸດ 电流断续5.1.1 降压斩波电路
◆工作原理 ☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载 供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数
曲线上升。
☞ t=t1时控制V关断，二极管VD续流， 负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲 线下降，通常串接较大电感L使负载电流 连续且脉动小。
电流连续
5
电流断续
5.1.1 降压斩波电路
◆基本的数量关系
☞电流连续时
√负载电压的平均值为
Uo to n t E o n E E t o n t o ff T
式中，ton为V处于通态的时间，toff为 V处于断态的时间，T为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。 √负载电流平均值为
Io U o Em R
16
2
5.1 基本斩波电路
5.1.1 降压斩波电路
5.1.2 升压斩波电路
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
3
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析 ☞使用一个全控型器件V，图中为 IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管 关断的辅助电路。 ☞设置了续流二极管VD，在V关断时 给负载中电感电流提供通道。 ☞主要用于电子电路的供电电源，也 可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后 两种情况下负载中均会出现反电动势，如 图中Em所示。
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图 5-16 半桥电路原理图
图 5-17 半桥电路的理想化波形
5.3.3 半桥电路
☞由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通 时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自 动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱 和。 ◆输出电压 ☞滤波电感L的电流连续时
U o N 2 ton U i N1 T
第5章 直流直流变流电路
5.1 基本斩波电路
5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路
本章小结
引言
■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流 变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路 ◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流 电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下 输入与输出之间不隔离。 ■间接直流变流电路 ◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离， 因此也称为直—交—直电路。
a)
iGE
0
io
I1
0
b)
V导通
V关断
8
5.1.2 升压斩波电路
◆基本的数量关系
☞当电路工作于稳态时，一个周
期T中电感L积蓄的能量与释放的能量 相等，即
EI 1t on U o E I 1t off
a)
iGE
0
化简得
Uo ton toff toff T 1 1 E E= E= E toff 1
图 5-18 全桥电路原理图
S1 S2 O O u S1 O u S2 O iS1 O iS2 ton T t t 2U i t 2Ui t t iL t
O iD1
O iS2
iL
t t
O
图 5-19 全桥电路的理想化波形 15
5.3.4 全桥电路
☞如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直 流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因 此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联 一个电容，以阻断直流电流。
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5.3.3 半桥电路
■半桥电路 ◆工作过程 ☞S1与S2交替导通，使变压器一次 侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开 关的占空比，就可以改变二次侧整流电 压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 ☞S1导通时，二极管VD1处于通态， S2导通时，二极管VD2处于通态，当两 个开关都关断时，变压器绕组N1中的 电流为零，VD1和VD2都处于通态，各 分担一半的电流。 ☞S1或S2导通时电感L的电流逐渐 上升，两个开关都关断时，电感L的电 流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值 电压均为Ui。
图 5-10 间接直流变流电路的结构
■同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直— 交—直电路。 ■采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因 ◆输出端与输入端需要隔离。 ◆某些应用中需要相互隔离的多路输出。 ◆输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 ◆交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤 波电容的体积和重量。 ■间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两 大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路 中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属 于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。
(5-54)
☞输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54） 的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限 情况下
Uo N2 Ui N1 2
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5.3.4 全桥电路
■全桥电路 ◆工作过程 ☞全桥电路中，互为对角的两个开关 同时导通，同一侧半桥上下两开关交替 导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的 交流电压，改变占空比就可以改变输出 电压。 ☞当S1与S4开通后，VD1和VD4处于 通态，电感L的电流逐渐上升。 ☞当S2与S3开通后，VD2和VD3处于 通态，电感L的电流也上升。 ☞当4个开关都关断时，4个二极管都 处于通态，各分担一半的电感电流，电 感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受 的峰值电压均为Ui。